《人教版物理选修3-3知识点突破》10.3 热力学第一定律　能量守恒定律（解析版）

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10.3 热力学第一定律　能量守恒定律
学习目标
1．理解和掌握热力学第一定律表达式，并能用于分析有关问题并进行具体的计算。
2．理解和掌握能量守恒定律，明确定律的重要意义。
3．了解第一类永动机及其不能制成的原因。
重点：1．理解热力学第一定律和能量守恒定律。
2．能运用热力学第一定律解释能量转化、转移问题。
难点：1．理解热力学第一定律和能量守恒定律。
2．能运用热力学第一定律解释能量转化、转移问题。
知识点一、热力学第一定律
1．定律内容：一个热力学系统的内能增量等于外界向它传递的热量与外界对它所做的功的和。
2．数学表达式：ΔU＝Q＋W。
（1）热力学第一定律将单纯的绝热过程和单纯的热传递过程中内能改变的定量表述推广到一般情况 ，
既有做功又有热传递的过程，其中 ΔU表示内能改变的数量，W表示做功的数量，Q表示外界与物体间传
递的热量。
（2）与 ΔU＝Q＋W相匹配的符号法则
① 外界对物体做功；物体吸收热量；内能增加，W、Q、都取“+”号。
② 物体对外界做功；物体放出热量；内能减少，W、Q、都取“−”号。
3．对热力学第一定律的理解：热力学第一定律不仅反映了做功和热传递这两种改变内能过程是等效
的，而且给出了内能的变化量和做功与热传递之间的定量关系．此定律是标量式，应用时热量的单位应统
一为国际单位制中的焦耳。
4．几种特殊情况
1
（1）若过程是绝热的，则 Q＝0，W＝ΔU，外界对物体做的功等于物体内能的增加。
（2）若过程中不做功，即 W＝0，则 Q＝ΔU，物体吸收的热量等于物体内能的增加。
（3）若过程的始末状态物体的内能不变，即 ΔU＝0，则 W+Q＝0或W＝−Q，外界对物体做的功等于
物体放出的热量。
【特别提醒】①应用热力学第一定律时要明确研究的对象是哪个物体或者是哪个热力学系统。
② 应用热力学第一定律计算时，要依照符号法则代入数据．对结果的正、负也同样依照规则来解释其
意义。
【题 1】一定量的气体在某一过程中，外界对气体做了 8×104 J的功，气体的内能减少了 1.2×105 J，则
下列各式中正确的是
A．W＝8×104 J，ΔU＝1.2×105 J，Q＝4×104 J
B．W＝8×104 J，ΔU＝−1.2×105 J，Q＝−2×105 J
C．W＝−8×104 J，ΔU＝1.2×105 J，Q＝2×104 J
D．W＝−8×104 J，ΔU＝−1.2×105 J，Q＝−4×104 J
【答案】B
【解析】本题主要考查热力学第一定律的应用，因为外界对气体做功，W取正值，即 W＝8×104 J；内
能减少，ΔU取负值，即 ΔU＝－1.2×105 J；根据 ΔU＝W＋Q，可知 Q＝ΔU－W＝－1.2×105－8×104＝－
2×105 J，即 B选项正确。
3．应用热力学第一定律解题的一般步骤
（1）首先应明确研究对象是哪个物体或者是哪个热力学系统。
（2）分别列出物体或系统吸收或放出的热量；外界对物体或系统所做的功或物体或系统对外所做的
功。
（3）根据热力学第一定律 ΔU＝Q＋W列出方程进行求解。
（4）特别应注意的就是物理量的正负号及其物理意义。
2
【题 2】一定质量的气体从外界吸收了 4.2×105J的热量，同时气体对外做了 6×105J的功，问：
（1）物体的内能是增加还是减少？变化量是多少？
（2）分子势能是增加还是减少？
（3）分子的平均动能是增加还是减少？
【答案】（1）－6×105J 1.8×105J（2）、（3）见解析
【解析】（1）气体从外界吸热为 Q＝4.2×105J气体对外做功 W＝－6×105J
由热力学第一定律 ΔU＝W＋Q＝（－6×105J）＋（4.2×105J）＝－1.8×105J ΔU为负，说明气体的内能
减少了。所以，气体内能减少了 1.8×105J。
（2）因为气体对外做功，所以气体的体积膨胀，分子间的距离增大了，分子力做负功，气体分子势
能增加了。
（3）因为气体内能减少，同时气体分子势能增加，说明气体分子的平均动能一定减少了。
【题 3】气体膨胀对外做功 100J，同时从外界吸收了 120J 的热量，它的内能的变化可能是
A．减小 20J B．增大 20J C．减小 220J D．增大 220J
【题 3】【答案】B
【解析】研究对象为气体。依符号规则，对外做功 W＝－100J，吸收热量 Q＝120J。由热力学第一定
律有 ΔU＝W＋Q＝－100J＋120J＝20J。ΔU>0，说明气体的内能增加。
【题 4】下列关于内能的说法正确的是
A．物体吸收热量，内能一定增加 B．物体放出热量，内能一定减少
C．当做功和热传递同时存在时，物体的内能可能不变 D．物体对外做功，内能可能增加
【答案】CD
【解析】物体吸热热量的同时，物体有可能对外做功，所以内能不一定增加，A错；物体放出热量的
同时，有可能外界对物体做功，所以内能不一定减少，B错；当物体从外界吸收的热量与外界对物体做的
3
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